Number Theory: Structures, Examples, and Problems


Part (a) is straightforward. In fact, we will prove that any prime factor



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet58/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   54   55   56   57   58   59   60   61   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str


Part (a) is straightforward. In fact, we will prove that any prime factor
of
f
p
(
m
)
is relatively prime to
m
(
m

1
)
. Take such a prime divisor
q
. Because
q
|
1
+
m
+· · ·+
m
p

1
, it is clear that gcd
(
q
,
m
)
=
1. Moreover, if gcd
(
q
,
m

1
)
=
1,
then
q
|
m

1, and because
q
|
1
+
m
+ · · · +
m
p

1
, it follows that
q
|
p
. But
p
|
m
and we find that
q
|
m
, which is clearly impossible.
More difficult is (b). But we are tempted to use (a) and to explore the proper-
ties of
f
p
(
m
)
, just as in the previous problem. So, let us take a prime
q
|
f
p
(
m
)
for
a certain positive integer
m
divisible by
p
. By part (a), gcd
(
q
,
m

1
)
=
1. Since
q
|
m
p

1, we must have
o
q
(
m
)
=
p
and hence
q

1
(
mod
p
)
. Now we need to
find a sequence
(
m
k
)
k

1
of multiples of
p
such that
f
p
(
m
k
)
are pairwise relatively
prime. This is not as easy as in the first example. Anyway, just by trial and error,
it is not difficult to find such a sequence. There are many other approaches, but
we like the following one: take
m
1
=
p
and
m
k
=
p f
(
m
1
)
f
p
(
m
2
)
· · ·
f
p
(
m
k

1
)
.
Let us prove that
f
p
(
m
k
)
is relatively prime to
f
p
(
m
1
),
f
p
(
m
2
), . . . ,
f
p
(
m
k

1
)
.
Fortunately, this is easy, since
f
p
(
m
1
)
f
p
(
m
2
)
· · ·
f
p
(
m
k

1
)
|
f
p
(
m
k
)

f
p
(
0
)
=
f
p
(
m
k
)

1. The solution ends here.
Problem 7.3.4.
Find the smallest number n with the property that
2
2005
|
17
n

1
.
Solution.
The problem actually asks for
o
2
2005
(
17
)
. We know that
o
2
2005
(
17
)
|
ϕ(
2
2005
)
=
2
2004
, so
o
2
2005
(
17
)
=
2
k
, where
k
∈ {
1
,
2
, . . . ,
2004
}
. The order


140
I Fundamentals, 7. More on Divisibility
of an element has done its job. Now it is time to work with exponents. We have
2
2005
|
17
2
k

1. Using the factorization
17
2
k

1
=
(
17

1
)(
17
+
1
)(
17
2
+
1
)
· · ·
(
17
2
k

1
+
1
),
we proceed by finding the exponent of 2 in each factor of this product. But this is
not difficult, because for all
i

0 the number 17
2
t
+
1 is a multiple of 2, but not
a multiple of 4. Thus,
v
2
(
17
2
k

1
)
=
4
+
k
, and the order is found by solving the
equation
k
+
4
=
2005. Thus,
o
2
2005
(
17
)
=
2
2001
is the answer to the problem.
Problem 7.3.5.
Find all prime numbers p
,
q such that p
2
+
1
|
2003
q
+
1
and
q
2
+
1
|
2003
p
+
1
.
Solution.
Let us suppose that
p

q
. We discuss first the trivial case
p
=
2. In
this case, 5
|
2003
q
+
1, and it is easy to deduce that
q
is even; hence
q
=
2,
which is a solution of the problem. Now, suppose that
p
>
2 and let
r
be a prime
factor of
p
2
+
1. Because
r
|
2003
2
q

1, it follows that
o
r
(
2003
)
|
2
q
. Suppose
that
(
q
,
o
r
(
2003
))
=
1. Then
o
r
(
2003
)
|
2 and
r
|
2003
2

1, but we cannot
have
r
|
2003

1, since this would give 2003
q

1
(
mod
r
)
, contrary to the
hypotheses. Thus
r
|
2003
+
1
=
2
2
·
3
·
167. It seems that this is a dead end, since
there are too many possible values for
r
. Another simple observation narrows the
number of possible cases: because
r
|
p
2
+
1,
r
must be of the form 4
k
+
1 or
equal to 2, and now we do not have many possibilities:
r
∈ {
2
,
13
}
. The case
r
=
13 is also impossible, because 2003
q
+
1

2
(
mod 13
)
and
r
|
2003
q
+
1.
So, we have found that for any prime factor
r
of
p
2
+
1, we have either
r
=
2
or
q
|
o
r
(
2003
)
, which in turn implies
q
|
r

1. Because
p
2
+
1 is even but not
divisible by 4 and because any odd prime factor of it is congruent to 1 modulo
q
,
we must have
p
2
+
1

2
(
mod
q
)
. This implies that
p
2
+
1

2
(
mod
q
)
, that
is,
q
|
(
p

1
)(
p
+
1
)
. Combining this with the assumption that
p

q
yields
q
|
p
+
1 and in fact
q
=
p
+
1. It follows that
p
=
2, contradicting the assumption
p
>
2. Therefore the only pair is (2
,
2).
Additional Problems
Problem 7.3.6.
Find all ordered triples of primes
(
p
,
q
,
r
)
such that
p
|
q
r
+
1
,
q
|
r
p
+
1
,
r
|
p
q
+
1
.
(2003 USA International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Problem 7.3.7.
Find all primes
p
,
q
such that
pq
|
2
p
+
2
q
.
Problem 7.3.8.
Prove that for any positive integer
n

2, 3
n

2
n
is not divisible
by
n
.
Problem 7.3.9.
Find all positive integers
m
,
n
such that
n
|
1
+
m
3
n
+
m
2
·
3
n
.
(Bulgarian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)


7.4. Wilson’s Theorem
141
Problem 7.3.10.
Let
a
,
n
>
2 be positive integers such that
n
|
a
n

1

1 and
n
does not divide any of the numbers
a
x

1, where
x
<
n

1 and
x
|
n

1. Prove
that
n
is a prime number.
Problem 7.3.11.
Find all prime numbers
p
,
q
for which the congruence
α
3
pq

α (
mod 3
pq
)
holds for all integers
α
.
(1996 Romanian Mathematical Olympiad)
Problem 7.3.12.
Let
p
be a prime number. Prove that there exists a prime number
q
such that for every integer
n
, the number
n
p

p
is not divisible by
q
.
(44th International Mathematical Olympiad)
7.4
Wilson’s Theorem
Theorem 7.4.1.
(Wilson’s
1
theorem)
For any prime p, p
|
(
p

1
)
! +
1
.
Proof.
The property holds for
p
=
2 and
p
=
3, so we may assume that
p

5. Let
S
= {
2
,
3
, . . . ,
p

2
}
. For any
h
in
S
, the integers
h
,
2
h
, . . . , (
p

1
)
h
yield distinct remainders when divided by
p
. Hence there is a unique
h

{
1
,
2
, . . . ,
p

1
}
such that
hh

1
(
mod
p
)
. Moreover,
h
=
1 and
h
=
p

1;
hence
h

S
. In addition,
h
=
h
; otherwise,
h
2

1
(
mod
p
)
, implying
p
|
h

1
or
p
|
h
+
1, which is not possible, since
h
+
1
<
p
. It follows that we can
group the elements of
S
in
p

3
2
distinct pairs
(
h
,
h
)
such that
hh

1
(
mod
p
)
.
Multiplying these congruences gives
(
p

2
)
! ≡
1
(
mod
p
)
, and the conclusion
follows.

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   54   55   56   57   58   59   60   61   ...   125




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish